第5章　可观测宇宙的结构是如何发展演化的？

透过宇宙微波背景辐射的涟漪，我们发现在重组阶段，即宇宙诞生后仅仅几十万年，宇宙中重子物质分布存在的不规则性只相当于十万分之一。这相当于在1000米深的湖面上，出现了只有1厘米高的涟漪。如果宇宙仅仅有重子，只能提供扁平状所需的物质密度的5%或更低，那么宇宙的膨胀就会将原本存在的涟漪拉伸平整，此时引力还来不及产生作用，将重子聚拢起来产生像恒星和星系这样有趣的事物。一个涟漪的引力对于宇宙扩张的力量来说过于微弱了，根本就无力抵挡。但是有其他证据表明——这些证据也是从分析宇宙背景辐射获得的——在宇宙诞生后10亿年内，也许是在5亿年内，即从背景辐射开始发出时，一些像恒星或超级巨星的热物体已经形成，并对周围的环境施加影响。

有关的影响是，第一批此类超级巨星加热了它们附近的气体。这种热能将氢和氦原子中的电子剥离，使这些在重组时已合并成中性原子的材料重新发生电离，那时宇宙的年龄只是现在年龄的大约千分之一。这意味着，宇宙中再次出现了自由电子，可能与大爆炸火球遗留下来的电磁辐射发生反应。但是，由于这个时候宇宙的密度已急剧下降，背景辐射并没有被完全阻挡模糊。相反，电离材料在穿越背景辐射时留下了印记。事实上，我们看到的印记（这影响了辐射的偏振现象，与偏振光眼镜影响射入的光线的效应一样），是由于从发生重新电离的时间至今，辐射和自由电子穿越这段时空发生相互作用的结果。这是一段约为130亿光年长的低密度物质“柱”。这些观测结果能够让我们计算出，在天空的任何方向，这样的“柱”中有大约多少个这样的电子。把这些知识与我们所知的随着宇宙扩大宇宙中重子密度的变化结合起来，表明这些电子柱应该有多长，并因此得知其在再电离阶段的终点在何地（或说何时）。这一估计中有一些不确定性，部分是因为再电离可能是在一个十几万年的时期内发生的，而不是宇宙中所有的地方同时发生；另一部分原因是在宇宙微波背景基础上的研究观测所给出的估计，与对已知最遥远明亮的物体，即所谓的类星体的研究所给出的估计略有不同。但是，这些将是下一代探测器才能解决的细节问题。有一点是明白无误的，再电离过程发生在大爆炸10亿年后，其距离我们的地点相应的红移大于7。^[29]

哈勃太空望远镜已经给出了证据，说明物质此时已经开始结团，形成了恒星和小星系（称为矮星系）。哈勃太空望远镜花了很长时间对一小片天空进行曝光拍照，记录下了视域中最暗、最遥远的物体的图像。这就是所谓的哈勃超深空外太空照片（Hubble Ultra Deep Field，缩写为HUDF）。2004年的HUDF分析显示，里面存在大约100个微弱的红色斑点，每1个对应1个矮星系，我们看到的是当宇宙刚刚超过10亿岁的时候离开这个星系的光。但是，即便它们也算不上是第一个炽热物体，因为那样的物体对应的红移约为15至20，相当于130亿至135亿年的回溯时间，距离宇宙大爆炸之后只有一两亿年。想象这些对象与现在的宇宙的关系，可以看作一个70岁的人“回头看”他才11个月大的时候的婴儿照。^[30]

对于第一个炽热物体如何形成，在计算机模拟的基础上，还有一丝猜测的因素，但我们认为我们知道发生了什么。以下情况可能至少大面上是正确的，而且将被下一代空间望远镜验证和改进。

第一项要求是要确定什么样的暗物质能使星系形成。虽然我们对于使整个宇宙保持为一个整体的暗物质还有许多话要说，但是有一个关键的特征需要在这里指出。当天文学家最初意识到需要暗物质的概念来解释宇宙动力学时，当时有两种候选理论，还有一个众所周知的竞争者。这个竞争者是中微子。人们一直假定中微子的质量为零，因此它能够以光速（像光子一样）旅行。但至少物理学家知道中微子是存在的，而且宇宙中有这么多的中微子（宇宙大爆炸所产生的中微子的数量，与背景辐射中光子的数量大约相同），因此，即使每个中微子只有极小的质量，其总和也将非常之大，足以达到宇宙扁平性所需的密度。直到20世纪90年代初，地球上所进行的实验，没有任何一个能够确定中微子是否确实拥有质量，但是对天文学和宇宙学的研究却得到了有关中微子令人惊讶的信息。

我们暂时撇开质量问题。实际上是宇宙学最先确定存在有3种（3种“味道”）的中微子，分别对应电子、τ子和μ子。中微子极其难以捉摸，要想证明其他种类的中微子并不存在是一项艰巨的任务，这依赖于间接的推论和大量的猜测。单从地面试验来说，在20世纪80年代初所有的物理学家都说，必然存在有不少于737种“味”的中微子，随后几年中，他们费尽心机将数量极限下调到了44种，然后是30种。到了20世纪80年代后半期，由于欧洲核子研究中心的一个重大实验终于使种类降到了6种。但是，他们所做的事情，只是确认了宇宙学家已经知道的事实。

其原因在于，中微子的种类到底有多少，影响到宇宙大爆炸时的原始核合成所产生的氦的量。所产生的氦的确切数额，取决于核合成阶段宇宙扩张的速度，速度越快，氦越多（因为这样自由中子就锁定在了氦原子核中，衰变的机会更少）。影响宇宙扩张速率的一个因素是现有的轻子的种类（也包括其反粒子，默认情况下粒子和反粒子都包括在内了）。大家可以将轻子看作帮助宇宙膨胀的压力，轻子的种类越多，产生的压力越大，使宇宙膨胀的速度越快。宇宙学的计算告诉我们，在最古老的恒星中，观测到的氦含量大约不到25%，由此推算，在宇宙的原始核合成阶段，只能有5个类型的轻子。其中两个是光子和电子，那么剩下的就只能有3种中微子。每增加1种“味道”的中微子，氦的比例将上升1个百分点；中微子的类型有4种，就将氦的含量向上推了2.5%，这种可能已经被天文观测排除了。自20世纪80年代以来，地球上的加速器实验已经变得足够强大，可以通过这种实验来确定中微子的种类，其结果也和上面的推论相同。从这一角度看，在地球上测量到的中微子类型的数量，能够告诉我们宇宙大爆炸制造了多少氦——这一惊人的结果，证明粒子物理学和宇宙学所面对的都是宇宙本质的根本性的真理。

另外，也是天文观测最先告诉物理学家，中微子具有质量。这是从研究一个比宇宙大爆炸更接近我们的对象——太阳——所获得的结果。这提供了另一种联系，将实验室规模的物理学、天体物理学和宇宙学联系在一起，强调指出，支撑这些学科的科学，是涉及世界如何运行时，我们真正了解的东西。

我们在第2章探讨大统一理论时曾提到这事儿，它可以追溯到40多年以前，即20世纪60年代初期。当时，来自布鲁克海文国家实验室的一个科研小组，由雷·戴维斯（Ray Davis）领导，在南达科他州里德的一个矿井的1.5千米的地下，安装了一个实验装置，用来检测来自太阳的中微子。之所以要把实验设备埋得如此之深，是为了避免来自空间的称为宇宙射线的粒子的干扰。但这一设备也必须非常敏感，因为中微子极不“乐意”与普通密度的物质发生反应。它们能自如地穿过太阳的核心，而不会受到任何干扰（光子就不同了，它们需要经过曲折的道路才能到达太阳的表面），而且可以轻易地穿过探测器上方1.5千米的固体岩石。探测器本身的大小相当于奥运会标准游泳池的1/5。这是一个充满了40万升全氯乙烯的水箱，这种液体常用来进行所谓的“干洗”。科研人员希望，来自太阳的稀少的中微子，能够和全氯乙烯中的氯原子发生相互作用，产生放射性氩同位素的原子，后者通过适当的手段可以测量到。

太阳内部产生中微子的过程，包括氢氦转换过程，这有点像大爆炸中原始核合成过程。这种聚变过程会释放能量，使太阳发光，并产生中微子。因为我们可以测量出有多少能量从太阳发射出来，而且从实验室里的研究知道，每制造出1个氦核，能产生多少能量，这样就可以计算出每秒中有多少个核反应发生，以及有多少个中微子产生。这一计算告诉我们，每秒钟，在地球上每平方厘米的区域内（包括探测器所在的区域）有70亿个这样的中微子能与氯原子发生恰当的反应。但是，考虑到中微子极难与普通密度的物质发生相互作用，计算预测，每个月里，在霍姆斯特克矿井中，仅有25个中微子能被探测到。而事实上，经过几十年的实验，只记录到了预期的中微子数量的1/3，即1个月里探测到8个或9个，而不是25个。

自20世纪60年代以来，许多其他不同类型的探测器记录了类似的结果，而且不论是测量核反应堆或是由宇宙射线与相互作用的大气中原子所产生的中微子（不再仅仅是电子中微子，还有其他种类），都显示出同样的数量不一致性，计算应产生的中微子数目与探测器实际记录到的数字不同。对于这种不一致，唯一可行的解释是，中微子产生的数目和预期的相同，但是在它们飞向探测器的路上出了意外。

太阳的核心的交互反应所产生的中微子都是电子中微子，而典型的太阳中微子研究中使用的探测器，只能探测到电子中微子。但现在人们已经弄清楚，中微子在穿越空间的过程中，会转变为其他品种（τ子和μ子中微子），或是再变回来。这一过程称为中微子振荡，这意味着，如果一开始是纯粹的电子中微子（当然了，也可以3种当中的其他任何一种），但是很快，这一束中微子中，只有1/3的电子中微子，另外还有1/3的τ子中微子和1/3的μ子中微子。这一过程与波粒二象性这一量子现象有关，而且这一理论并不仅仅是临时拿出来解释太阳中微子之谜的——在研究一种称作K介子的时候，人们就熟知这种振荡了，后来才用它来解释中微子的观测结果。但是这种振荡还有一个极为重要的功能，那就是它们只能发生在有质量的粒子身上。换言之，对南达科他州矿井中的一池干洗液所进行的测量表明，宇宙中的一种最普遍的粒子——中微子——必须是有质量的。每1个中微子的质量可能非常小，但它绝不能是零。

你可能会认为——许多天文学家有一段时间也这么认为——这解决了宇宙中“失踪”的物质的难题。但人们很快发现，把所有的失踪物质归结到中微子的头上是行不通的。中微子可能是一种暗物质，但它们不能用来解释宇宙中所观测到的明亮物质的分布模式。我们前面提到的两种暗物质被称为“热”和“冷”暗物质。中微子是热的，这是因为它们能以接近光的速度运行。但是，我们为了解释天空中星系的模式，所需要的是一种大量的缓慢移动的冷暗物质（CDM）。

请记住，我们需要解决的困惑，是重子在早期宇宙中分布的微小涟漪，只相当于十万分之一的密度不平衡，如何能够造就今天的星系和星系团，不论宇宙如何膨胀，并将这些涟漪拉伸变得更小。最大规模的明亮星系分布的模式类似于自然海绵的内部，其中空洞区域（缺乏明亮星系的地区）周围围绕着明亮的泡沫，以片状或丝状结合，组成星系团和超星系团。在以热暗物质的引力占主导地位的宇宙中，有可能形成这种结构，但问题是，这需要很长的时间。大爆炸产生的有足够大质量的高速粒子，就像保龄球打倒球瓶一样，会将重子席卷而走，撕扯成丝状或片状，围绕着空间的空白区域的边缘。只有在中微子的速度放慢（“冷却”）到光速的约1/10时，这一过程才会结束。也只有到那时，由氢和氦构成的大片才会在引力的影响下开始收缩崩溃，最终以一种“自上而下”的过程形成恒星和星系。但是这里“最终”一词很关键。整个过程需要至少40亿年，但我们知道宇宙只有140亿岁，而仅仅在银河系，就有上百亿年的恒星，而更深入的观测，如哈勃超深空探测就表明，宇宙大爆炸之后刚过了10亿年，小星系（但不是大星系）就已经形成了。事实证明，如果中微子的质量比“非常微小”超出一点点，天文学家就会大感窘迫——好在令人高兴的是，实验表明，中微子的质量确实太小，不会对星系形成的模型造成问题。

中微子必须具有质量以产生振动的原因在于，产生振动时的速率取决于不同种类中微子的质量差异。如果质量为零，就不会有差异了！由于振动的速率取决于质量的不同，中微子充分混合成同等数量的所有3个品种所需穿越的时空，也取决于质量的差异。对这个问题，太阳中微子的研究能告诉我们的很少，因为从地球到太阳的距离非常之大，就连光从太阳到地球的时间都需要8.3分钟，中微子所需的还要长一点。对于绝大多数粒子的相互作用的标准而言，这一时间非常之长，足够其充分而完整地混合。但是，对于宇宙射线和大气层之间相互作用产生的中微子来说，其中一些只需要几分之一秒的时间就能到达探测器，因而对其所做研究的限制就更为严格了。这些研究无法直接告诉我们每种中微子的质量分别是多少，但它们可以给出线索，假设它们的行为与能够更方便地研究的粒子如K介子类似，这就能让我们判断出所有3种中微子的总质量是多少。将中微子对宇宙密度整体的贡献加到一起，我们得出结论，中微子至少贡献了宇宙保持扁平所需质量的0.1%。

另一方面，我们今天所看到的宇宙这样的结构，以及这种结构出现所需的时间，告诉我们所有热暗物质对宇宙密度的贡献，不超过重子质量的13%——换句话说，不到为了达到扁平所需的总密度的0.5%。这表明，对宇宙中体积最小、质量最轻的事物的观测，与对宇宙中的最大尺度的结构的观测之间，达到了非常令人满意的吻合。而假如粒子物理学家说，为使宇宙达到扁平状，中微子必须至少有0.5%的贡献，而天文学家说中微子的贡献不能超过0.1%，那可就麻烦了。好在情况并非如此。两者之间达到如此程度的协调，有力地证明了，即使是所获得的数据可能并不完全一致，物理学家知道自己研究的是什么。这一点再怎么强调也不过分。

从能量和质量单位的角度来考虑这个问题，那么这3种中微子各有1个，加起来的总质量还不到2电子伏特，相当于1个单一的电子质量的0.0004%。因此，我们认为，把所有3种中微子的质量全部加起来，其引力只占到使宇宙保持扁平所需引力的0.5%到1%，我们仍然要弄清楚宇宙中占95%的引力的东西是什么。第一步是要研究冷暗物质对于我们现在所看到的宇宙的结构，产生了怎样的影响——不过现阶段还无须担心CDM粒子有可能是什么，因为对这一次，是宇宙学首先参与进来，并告诉粒子物理学家需要找寻的是什么。

天文学家在检验他们关于宇宙中结构演进的方式的时候，是拿天空中星系和星系团所留下的分布模式，与膨胀宇宙中引力所导致的不规则性会如何演变的模拟结果进行对比。这话说得很别扭，但听上去却让人觉得做起来很简单。但是这样的观测要求测量数以十万计的星系的红移，它们都过于微弱，肉眼看不到，而且它们分布在天空不同的区域。只有在数字技术的帮助下，如此详细的研究才切实可行。从20世纪末开始，以及进入21世纪以来，科研人员开始用CCD数码摄影技术拍摄星系的“照片”，用计算机分析海量的数据。把红移的测量数据转换成距离，建立起一个从我们的角度来看宇宙向外延伸的由楔形或圆锥形构成的三维地图。即使到如今，我们还没有对整个天空做完这项工作；但是对广泛分布于天空各处的观测，都给出了同样的泡沫状图景，所以我们相信，这些“切片”代表了宇宙的典型图景。

说起来，倒是相关的计算机模拟更难。如果你有一个足够大的电脑（我的意思是说，如果内存和硬盘空间足够大），你可以用一组数字代表早期宇宙中的每一个星系，运行爱因斯坦的宇宙普遍膨胀的方程以及引力定律，采用不同的初始条件和不同量的冷暗物质，进行模拟计算，看最终哪些看起来就像真正的宇宙。现在已知的星系有几千亿个，这种模拟计算显然是不可能的。而且，模拟中每个这样的“粒子”都相当于太阳质量的大约10亿倍。在最大的此类模拟中，虚拟了100亿颗这样的粒子，模拟整个可见宇宙膨胀的行为。^[31]模拟计算模型设定，这种粒子的统计分布与重组发生时物质的分布方式相同，然后按照虚拟时间来考察粒子如何凝聚在一起。当事情开始变得有趣，模拟就开始重点关注某个正在形成的集群，而不再检视宇宙的其余部分，并重新使用同样多的虚拟粒子，探测这一更小尺度中集群结构的发展。从原则上讲，这一进程能够不断继续，直到个别星系的形成，但这也将当今的计算机技术推到了极限。

这些研究和绝大多数现代的研究一样，远远超出了任何个人的能力范围。其中最大的一个模拟项目，是由一个称为“室女座联盟”（the Virgo Consortium）国际科学家小组进行的，这个名称来自距离地球最近的大型星系团，位于室女座的方向（但距离远远超出了它）。这一模拟计算是选择一个虚拟的质量点，计算施加在它身上的其他点9 999 999 999的引力影响，然后选择另一点，做同样的计算，一遍又一遍，直到每个点都计算过。在仿真中，每个点都按照所受的全部的引力发生一点移动，“宇宙”也会扩大一点点，然后整个过程一遍又一遍地重复。但是，为了在合理的时间内获得进展（即不要等研究人员都老死），还是必须使用一些捷径。例如，对于相距甚远的点，仿真把数以千计的个别粒子合在一起，并使用其总引力计算其对宇宙另一边的粒子的影响，而不是计算所有单个粒子的影响。这个模拟计算中使用的Unix集群计算机集成了812个处理器，拥有2TB的内存，每秒能够进行4.2万亿次计算（每秒4.2万亿次浮点运算）。即使以这样的速度运行，每次模拟也要运行数周的时间才能产生结果。到2004年年中的时候，模拟已经产生了20万亿字节的数据，包含虚拟宇宙不同发展阶段的64个快照——不同的红移，不同的回溯时间。把这些快照与真正的宇宙中明亮星系的红移图进行对比，清楚地表明，必须存在大量的暗物质，才能解释我们在真正的宇宙中所看到的结构。

当然，肉眼不可能做出这些比较，尽管我们即使随便地瞥一眼这两幅图也会感到它们惊人地相似。相反，对计算机模拟和实际宇宙的各种丝状、片状和空洞区域进行统计学上的比较，可以让我们客观公正地评价模拟和现实匹配得如何。答案是，两者匹配得确实非常好——前提是，宇宙中存在大量的冷暗物质，而且宇宙是扁平的。

虽然已经进行了许多种不同的模拟实验，实验中设定的暗物质的数量不同，宇宙的密度不同，偏离扁平性的程度也不同，等等，不过这里我们无须把这些都细细道来，因为只有一个真正符合我们如今生活于其中的宇宙。但是，这不是走运猜中了，我们也不希望大家以为天文学家是随便找来一种理论，凑巧发现他们竟然对了；为了到达目前的这一步，他们试验了很多次，有时候开始就错了，有时候走进了死胡同，又不得不倒回来。我们现在的模型是已有模型中最好的，也是对宇宙最好的理解，但它是经历了几十年的研究工作才发展起来的，有点类似现代飞机从莱特兄弟的第一架飞行器演变而来的过程。

该模型所依据的观点，是重子嵌在大片的冷暗物质海洋中。我们在下一章会探讨更多关于冷暗物质的性质等问题，但这里的关键问题是，宇宙学要求它必须存在，而且这种粒子似乎不与重子物质以任何方式发生相互作用，除了引力之外。我们不能确定究竟存在多少这样的粒子，以及其单个的质量是多少（甚至不知道它们是有一种还是多种），但是一个合理的猜测是，它们像质子和中子一样有同种类型的质量。计算机模拟表明，它们散布在整个宇宙，包括明亮星系团之间的空隙。这些空隙中还必然有黑暗的重子，因为为了使仿真模型与真正的宇宙吻合，我们必须假定，重子和冷暗物质粒子在整个宇宙中相互交织。我们看到了明亮星系组成的泡沫格局，因为只有在暗物质密度更大的区域明亮的星系才得以形成。这是由于暗物质的引力将附近的重子气体吸引到引力坑洞中，在这里气体云规模变得足够大，使其发生崩溃，形成恒星和星系。这意味着明亮的东西让我们对宇宙的观察略有偏见，因为实际上宇宙中物质的分布比明亮物质的分布更为均匀。但是，这一偏离值相当之小——这就好像是，如果宇宙中物质的平均密度近乎让气体云崩溃，那么只需要一个相对较小的多余的密度涟漪，就足以启动这一进程。

对像银河系这样个别星系的研究也揭示出了重子物质和冷暗物质之间的密切关系。实际上，正是对星系的研究首次向人们暗示，宇宙中除了到达我们的眼睛的东西以外，还有更多的内容。只不过多年来，大多数天文学家都不愿意接受这种暗示。

早在20世纪30年代，在天文学家们认识到他们从望远镜里观察到的一些模糊的光斑实际上是银河系以外的其他星系之后只有10年左右，瑞士天文学家弗里兹·茨维基（Fritz Zwicky）注意到星系团的一个奇怪的事情。在许多情况下，这些星系群运行的速度太快，以致其中的所有明亮恒星的引力都不足以将星系团聚集在一起。如果观测结果是正确的，那么根据天文标准，星系团不能保持稳定，而是很快会蒸发消失。当时，河外星系和利用多普勒位移（不是宇宙红移）来测量这些星系运行的速度都是新出现的观点，当时没有几个人愿意接受茨维基的研究结果。但是，如果你不接受这种结果，那么这些结果就暗示，为了使星系团保持稳定（或“在引力的约束下”），在大星系团中，就必须有比单纯以明亮的恒星的形式多几百倍的物质发出引力。茨维基将这种看不见的物质称为“暗（冷）物质”。^[32]即使你不拿这些结果当真，可是在当时没有任何理由认为，在宇宙中不可能有很多黑暗的重子物质，以冷的气体云或光线非常微弱的恒星的形式存在，所以那时人们对此并不是太担心。即便人们在近70年前就意识到可能存在暗物质，可是直到20世纪60年代，随着对宇宙大爆炸的核合成过程的逐渐了解和对重子物质数量的限定，人们才开始关注研究暗物质。接着，在茨维基的开创性工作近40年后，在20世纪70年代，有关暗物质的主题出现了另一个变化。

当时，多个研究人员正在研究圆盘星系（比如银河系等）是如何旋转的。这种星系的名称很形象，它是扁平的恒星系统，像一个中央隆起的旋转光碟，隆起和扁平部的比例与煎蛋中蛋白和蛋黄的比例大致相同，但其直径通常为10万光年，含有数千亿颗恒星。整个系统像轮转烟花一样悠闲地旋转，像太阳这样的恒星需要几亿年的时间（距离银河系的中心相当于星系半径的2/3）完成围绕中心的旋转。当我们看到这样的旋转星系，利用多普勒效应可以衡量其旋转速度。星系盘一侧的光是朝向我们运行，因此这些光会显示蓝移，而另一侧的光是远离我们，所以会显示出红移。红移和蓝移的大小就揭示了光盘旋转的速度。到了20世纪70年代，技术已经发展得相当完善，在许多情况下，对于距离中心不同的星系的不同地区，其速度都能测量出来了。结果却令人大吃一惊。

如果圆盘星系中所有的物质都以像明亮的恒星同样的方式分布，那么越是远离中心的恒星运动的速度就越缓慢，因为它们远离中央隆起（或称为星系核）的巨大质量。同样，在我们的太阳系中，外围行星，如木星和土星等，在其轨道上运行的速度比内行星（如金星和地球）更慢，因为它们远离太阳的巨大质量。但是，在对几乎每一个圆盘星系的研究都表明，除了星系最靠核心处，星系的轨道速度不论是边缘还是靠近中心的地方都是一样的，并且边缘和内部之间的任何一点上也是一样的。对此唯一说得通的解释是，圆盘星系是嵌在大量的暗物质中，而暗物质的质量至少是星系的10倍，暗物质将星系盘紧紧控制在自己的引力范围内。这直接表明了单个星系中存在暗物质，而茨维基的开创性研究则表明，在星系之间的空隙中还必须有更多的暗物质。

在21世纪最初几年中，天文学家发现了更多的直接证据，表明在星系之间存在暗物质云团。请记住，大爆炸所产生的重子中，只有大约1/5的是以明亮的恒星和星系的形式存在，可以被我们看到。其余的必须存在于某个地方，比如在恒星和星系之间的气体云中，或是在微弱的恒星中。很长一段时间以来，没有人知道它们究竟存在于何处，但人们自然地猜测，由于这些重子暗物质是冷的，因而才不能为人所见。结果，这种猜测却是完全错误的。它之所以无形，是因为它是热的！

卫星观测发现，“暗”重子位于紫外线光谱段，这一区域是我们的眼睛无法看到的。卫星也观测到，我们的银河系和附近的星系（一种小型的星系团，称为“本星系群”）实际上是处在一个巨大的星际气体热雾中，这些气体是我们熟悉的氢和氦。以地面标准而言，虽然它非常微弱，但这种气体非常热，也就是说，里面的粒子的移动速度非常快，并发出波长很短的辐射，超出了可见光谱蓝色端，处在紫外线频段。如果我们的眼睛可以看到紫外线，我们会看到整个天空都覆盖着一团明亮的雾，其温度约为1千万K到2千万K（1～2千电子伏）。在本星系群中，这样的热物质的质量相当于1万亿颗太阳，大约是星系中明亮物质的质量的4倍多，这与我们所理解的宇宙大爆炸的核合成吻合得非常好。但是，这仍为冷暗物质留下了足够的余地。就像星系旋转的速度表明星系团是由暗物质聚集在一起的证据一样，这也表明这种热气体云只能是由暗物质聚拢在一起。这种热气体是嵌在寒冷的暗物质中，并为我们提供了一个暗物质的示踪剂，就像夜晚圣诞树上的彩灯能够显示出树的轮廓一样。

在其他星系团中的星系的周围，也发现了类似的热气云。这一证据表明，这些气体之所以能保持热能，是受到来自某些星系活跃的内核所抛出的高能量物质的轰击，在观测中发现这些是强大的射电源，而且可能伴随着巨大的黑洞。气体的热量也可能来自早期宇宙发生重组不久之后，气体云碰撞所发出的最初的热冲击波。

不论其热量来自何处，对整个可见的宇宙结构形成的计算机模拟最终显示出，我们需要冷暗物质的存在，不过此时这一结果已经不再是真正的惊喜了。但是仍然有一个重大的难题需要解决。

我们对原始核合成的了解告诉我们，宇宙保持扁平性所需的质量的4%左右是以重子的形式存在的（其中有不到0.5%的是以中微子的形式存在），还通过观测知道这些物质中约1/5的（低于扁平性所需物质的百分之一）是以亮物质的形式存在。比较今天的宇宙中明亮物质的分布模式，以及计算机模拟的结果，我们发现，宇宙中物质的总和，是扁平性所需质量的大约30%——换句话说，有约2.6%的扁平性质量，相当于重子形式物质质量的6至7倍之多，是以冷暗物质的形式存在。多一分，则亮物质构成的模式会更稠密；少一分，则会更稀疏。但是，综合计算机模拟和对宇宙微波背景辐射的研究，我们知道宇宙是扁平的。理解这一点的方法之一，是要了解宇宙膨胀的速度也影响到它现今的高矮胖瘦。如果宇宙是开放的，它的膨胀速度将扩大，物质将更快地被延伸得更薄，自宇宙大爆炸以来，就不会有我们所看到的巨大的结构出现；另一方面，如果宇宙是闭合的，其膨胀得会更加缓慢，物质会更容易地聚集在一起，那样的话，宇宙也会比我们真正看到的要更不平坦。^[33]这就是我们面临的难题——如果只有30%的扁平状所需的质量是以物质的形式存在，那么究竟是什么使宇宙保持扁平的？这一难题的答案将在下一章揭开。但首先，以下是我们对于宇宙自重组之后，不断膨胀，其结构演变的概括描述。

我们知道，必须待重组后，重子物质的浓度才能开始增长，否则，带电粒子和背景辐射发出的依然炽热的光子之间的相互作用，仍然会阻止崩溃的发生。但我们也知道，那时暗物质必须已经集中产生团块了，这是由于重子物质被锁定在电中性原子中，落入引力坑洞的速度所决定的。的确，21世纪初给我们的一个惊喜是，随着技术的改进，观测者能够回溯看到更久远的过去，看到更高的红移，在每个阶段，他们不断发现由热氢气体构成的原星系。我们将看到，对此最好的解释，是黑洞在宇宙的很早时期就形成了，并且是星系成长的种子。一些计算表明，原始黑洞的种子形成于宇宙原始的核合成阶段的密度波动。这仍然只是一个假说——这正是我们认为自己知道的一个例子——但它是目前任何人所能想出的最好的解释。

2004年的哈勃超深空探测结果分析表明，在红移为6时，宇宙大爆炸9亿年后，宇宙中有许多微小暗弱的物体，人们称之为“矮星系”。正是源自这些星系的紫外线完成了再电离过程。然而，红移稍高一些，宇宙大爆炸大约7亿年后，这些矮星系明显减少，这表明我们看到了这些小星系形成时代的顶峰。这些矮星系当然没有过很长时间，就彼此合并形成了较大的星系。在2004年的另一项研究报告中，天文学家分析了宇宙年龄大约在30到60年之间的来自星系的光线（在110亿到80亿年以前）。这些光线从地面的望远镜就能看到。调查发现，所研究的这些星系的突出特点是它们均为“成熟”的系统，外形酷似今天我们在宇宙附近所见的星系。它们已经经历了其主要的早期阶段，如合并及恒星的形成等，并稳定下来，进入了相对平静的状态。即使是星系团，在这个意义上说肯定是一个成熟的系统，在距离我们90亿光年的地方，即宇宙大爆炸之后50亿年之后，也已被发现。举一个例子就能说明现在的技术多么的惊人：该星系团首次被发现，是在由欧洲的XMM—牛顿卫星获得的X射线图像中，人们在望远镜对一小片天空经过12.5小时曝光所拍摄的照片中，发现并判断出了它收集到的280个光子代表的是这一星系团。人们接着把地面光学望远镜对准这一区域，发现了12个大型的星系位于可能是由数以百计的小星系构成的集团的核心（这个核心太弱，无法从地球上观测到），它们是由引力结合在一起的。这一发现是在2005年春季宣布的，大家读到此书的时候，上述的技术肯定已经帮助我们找到了更多的处于这样距离的星系团。

包括像我们的银河系这样的圆盘星系在内，^[34]当今的宇宙包含了许多椭圆星系（其形状各种各样，从球形到美式橄榄球的椭圆形，不一而足，大小也不一），此外还有一些剩下的不规则的矮星系。观测表明，当宇宙只相当于现今年龄的1/3的时候，所有这些种类的星系已经出现了，而且那时这些星系已经聚集成了有明确界限的集群。所有这一切都证明，从重组阶段开始，暗物质大规模的集中就已经成了星系形成的种子——但是令人沮丧的是，我们极少有直接的红移大于7的观测证据。

计划中的哈勃空间望远镜的继任者，詹姆斯·韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope，缩写JWST）^[35]应该能够回溯看得更远，达到红移20；但是在詹姆斯·韦伯太空望远镜发射之前（将不会早于2011年），天文学家必须依靠偶然的星系沿着视线对齐在一起的机会，得以一瞥在接近宇宙大爆炸的时刻，红移非常高的时空发生了什么。^[36]

在这种情况下，干预星系（或整个星系团）的引力，就像一个巨大的放大镜那样，可以使来自更远的对象的光线弯曲，使其聚焦。这种引力透镜是一种天然的望远镜，其功能更强大，远远超过任何人造的望远镜；但是观测所需的偶然对齐非常罕见，而且通常产生远处物体某种扭曲的图像，但即使是只有少数扭曲的图像，也总比没有任何图像好得多。

现在已知的最遥远的星系（在我写作此书之时，即2005年夏）就是用这种方式发现的。哈勃空间望远镜对附近的一个称为阿贝尔2218星系团长时间曝光拍摄的照片显示了一个更遥远的星系叠加到该星系团上的扭曲的形象。分析该对象的光线我们发现，它的红移接近7，相当130亿年的回溯时间，我们看到的它的光，是宇宙只有目前年龄的5%或6%的时候留下的。很难估计这个原星系的大小，因为它的形象是扭曲的，但它看上去似乎只有约2000光年直径，但它频谱的紫外线部分相对较为明亮。这暗示在年轻星系中恒星的形成活动很活跃，因为年轻的恒星通常很炽热，并且能产生大量的蓝色光和紫外线。这与对再电离时间的估计吻合得很好，因为人们认为再电离是从年轻星系发出的紫外线辐射造成的。而这反过来又表明，这个不起眼的对象确实可能是宇宙中最早形成的第一批星系中的一个。在另一项研究中，同样是利用了自然引力透镜，天文学家们找到了一个更小的物体，那是一群恒星组成的星团，而非星系组成的星系团，它距离我们也超过了130亿光年。这种星团是恒星在引力作用下聚集在一起形成的球状集团，其中包括大约100万颗恒星，而且是像银河系这样的星系的常见构成部分。所有这一切有力的证据都表明，现今宇宙中的大型星系，是在积累和合并规模较小且形成更早的单位后形成的——这是宇宙的“由下而上”的建筑方法，此过程今天仍在继续。这些组合成分中尚有一个需要添加的成分，即充满能量的类星体。人们认为类星体是由超大质量黑洞提供能量，其质量相当于数以百万计的像太阳一样的恒星，虽然其中很多的物质可能原来一直是暗物质。之所以称其为“类星体”，这是因为在短时间曝光的天空照片上，类星体看起来像恒星，但它们实际上却不是。长时间曝光拍摄的图像表明，类星体是位于一些星系中心非常明亮的物体，其亮度极高，很难看到同属于星系的周围的恒星，就好像把蜡烛和耀眼的探照灯摆在一起时，很难看到蜡烛的光一样。类星体之所以能如此明亮，人们认为是由于它们在吞下星系内部区域的恒星时释放出了大量的能量。而且，人们还认为，所有的大型星系（包括我们自己所处的银河系）的中心都有一个黑洞，尽管在许多情况下，这个黑洞不再是活跃的，因为它已经将附近的一切物质吞噬殆尽。

迄今为止，关于黑洞流行的观点是，它是坍塌的恒星，其质量超不过太阳的数倍。现在我们有必要仔细关注一下黑洞这种恶魔的更详细的特性。黑洞是大量物质聚集在一起，其引力极为强大，任何物质，甚至是光，都无法摆脱它的束缚。诚然，制造黑洞的一个途径是把数个太阳质量的东西（任何东西）挤到一起，压缩到直径几千米以内。一些恒星在生命终结时就会出现这种情况，而且现在已经发现，在我们的银河系存在许多此类黑洞——称作“恒星质量”黑洞（“stellar-mass”black holes），这名字起得很符合逻辑。但是，制造一个非常庞大的物体，即使其整体密度相当低，也能形成黑洞。几百万颗像太阳一样的恒星集中到一个半径和太阳系（以从太阳到海王星轨道计算）差不多的范围内（就像1口袋弹珠一样），其密度仅仅和地球上的海洋一样，但它仍能成为一个黑洞。没有什么物质能够逃脱它的控制。这是一种超大质量黑洞（supermassive black hole），规模只有太阳系那么大，位于星系的中心，并为类星体提供能量。

这种黑洞拥有强大的引力，将物质吸引到自身。但是对于受到引力影响的大量物质来说，很难进入黑洞，因为黑洞的表面积太小了。因此，受到吸引的物质堆积在黑洞周围，形成一个旋转的圆盘，逐渐汇集进入黑洞。圆盘中的材料运行速度很快，因为是在强烈的引力的影响下。它们形成旋涡，随着原子相互碰撞，变得越来越热。这会把引力能量转换成热、光、无线电和X射线，所有这一切都使类星体变得明亮，直到其来源物质消耗殆尽。这个过程的能量转换效率很高，即将落入黑洞的物质中，有一半以上的质量按照爱因斯坦的著名方程转换成辐射能，每年黑洞只需吞下约1个太阳质量的材料就能保持其光辉。但是最终，它的燃料供应将耗尽，并且现如今，在我们附近的宇宙中，很少有类星体仍然处于活跃状态。

这种黑洞肯定是宇宙早期历史上的结构产生的重要的种子，而且这种结构演变迅速，表明在重组之后最早的一刻，黑洞就已经存在，而且可能是通过我们尚未完全了解的过程产生的，这涉及了暗物质的作用，因为那时宇宙还没有冷却到足以让重子物质坍缩形成恒星和星系。观测类星体发现其红移达到了6.5，表明目前宇宙中所存在的最大的黑洞（或许包含10亿个太阳的质量）在宇宙大爆炸发生10亿年后已经存在了，当时宇宙的年龄还不到现在年龄的1/10。但是，对于星系和类星体，我们目前也只能看这么远了。现在是时候讨论一下，在大爆炸之后，宇宙的结构是如何产生的了。虽然我们必须承认，这里面还有很多猜想的成分。

直到大爆炸发生后2000万年，红移为100，宇宙仍然非常平滑，但是从那以后，其内在结构开始迅速成长。冷暗物质最有可能的候选粒子（下一章会有更详细的讨论）是一种质量大约是质子质量100倍的粒子。^[37]它们只能通过重力与重子相互作用，或是碰巧撞上一个重子，会对其产生敲击。在红移为100的时空，重子还太热，无法坍缩形成致密的天体。但是计算机模拟表明，冷暗物质粒子会很快在引力作用下发生崩溃，从出现在背景辐射的涟漪出发，直到红移为25至50时，它们已经形成球状的暗物质云，质量相当于地球，但体积相当于太阳系，每个暗物质云的大多数质量都集中在中心。然后，这些云会由于彼此间的引力集中在一起，抵制宇宙的膨胀，形成云团，以及云团的云团，循环往复，其中大多数质量都集中在中心。

到了这时候，重子已经冷却到足以发生坍缩，暗物质坑洞也发育完全了——在这些大型的暗物质云的中心形成了黑洞——这样重子物质就流向暗物质集中的地区，形成恒星和星系。这种情形很好地解释了质量是太阳的几百万倍（如球形恒星团）到几十亿倍（如银河系这样的星系）的物体，以及比星系的规模仍要大数以万倍的结构（超星系团）为何能存在。计算还表明，大量的原始地球质量的暗物质云应该能够生存至今，在银河系周围的暗物质球形环中，有多达1000万亿（10¹⁵）这样的暗物质云。在这些云中，暗物质粒子之间的相互作用会产生大量的伽马射线，在地球上很难探测到它们，因为它们太微弱了。但是在大约2012年之前，下一代的卫星或许将能够探测到它们。计算表明，即使在红移为6.5的时空，大爆炸之后几乎10亿多年，在重组之后，应该有足够的时间使这一自下而上的进程发生，产生了质量相当于10亿颗太阳的黑洞，它们嵌在质量约为1万亿个太阳质量的暗物质环中。重子物质不断跌入黑洞，为类星体提供能源，而在远离这些物体的地方，在重子云中会形成恒星。但是在宇宙现有时间内，如果中央黑洞的质量相当于至少100万个太阳质量，则只能形成像银河系这样规模的结构。让宇宙理论学家欣慰的是，银河系中心的黑洞的质量是太阳质量的大约300万倍。

我们现在在宇宙中看到的各种各样的星系，主要是由于合并形成的。在许多星系团中都会发生星系碰撞和相互作用，无须讨论其细节，就能很容易看出来，大型的物质云团会自然地稳定下来，随着自身的旋转，形成盘状的结构，就像我们的银河系一样。如果星系之间靠得太近，更大的星系会吞噬小的星系。但是星系盘的碰撞，也许包括其中心黑洞的合并，可以导致恒星的形成，吸收掉圆盘中的物质，形成椭圆星系。以这种方式形成的椭圆星系，在事件平息后，随着越来越多的重子物质围绕在中央隆起周围，可能“生长”出新的星盘。小的不规则星系只是早期宇宙遗留下来的——正如大家所预计的那样，观测表明，宇宙年轻的时候比现在拥有更多的小星系。它们逐渐被吞没兼并，形成了我们今天看到的大型星系。

宇宙中最大的星系都是椭圆星系，其中一些真的是非常之大。所有的星系中，大约60%的都是椭圆星系，但是其中最大的包含多达1万亿（10¹²）个太阳的质量，因此椭圆星系所含有的重子的比例比我们想象的更高。实际上，整个宇宙中恒星总质量的3/4是以这种形式存在于这些巨型椭圆星系中的，其红移为1.5或更多。但是，从其恒星的颜色可以判断，很显然，它们那时已经是古老的恒星了，而且其中的一些形成于红移为4或5的时空，或者，至少是合并形成这些星系的部分物质是在红移为4或5的时候形成的。

我们的银河系的年龄似乎是100亿岁多一点；但是太阳和太阳系的年龄还不到银河系的一半，大约是45亿年。显然，恒星形成持续到第一个星系形成之后很久。的确，直到如今，我们仍可以看到在银河系有新的恒星形成。这一现象的存在为我们提供了一种便利，帮助我们理解恒星是如何而来的。特别是，它可以帮助我们了解我们生活在其中的太阳系是如何开始的。但是，在我们离开宇宙这个大话题，开始重点关注这个特别能引起我们的兴趣的主题之前，还有一件事情必须解决。正如我们所说的那样，把观测结果、计算机模拟和理论综合起来，我们就知道，宇宙中所有物质的总和，只是使宇宙保持扁平所需的物质的30%。但是，同样的综合思考告诉我们，宇宙的确是扁平的！如果它是开放型的，那么它会迅速解体，无法形成像银河系这样的星系，我们也就不会在这里思考万物是如何发端的了。那么，剩下的70%的物质是怎么回事？什么使宇宙结合在一起？